Vzdělávací materiál vytvořený v projektu OP VK Název školy: Gymnázium, Zábřeh, náměstí Osvobození 20 Číslo projektu: Název projektu: Číslo a název klíčové aktivity: CZ.1.07/1.5.00/34.0211 Zlepšení podmínek pro výuku na gymnáziu III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Anotace Název tematické oblasti: Název učebního materiálu: Číslo učebního materiálu: Vyučovací předmět: Ročník: Autor: Biochemie Fotosyntéza světelná fáze VY_32_INOVACE_Ch0214 Seminář z chemie 4. ročník čtyřletého studia, 8. ročník osmiletého studia Jana Drlíková Datum vytvoření: 1. 4. 2013 Datum ověření ve výuce: 2. 4. 2013 Druh učebního materiálu: Očekávaný výstup: Metodické poznámky: pracovní list Uplatnění dosud získaných znalostí z oblasti obecné, organické chemie, biochemie a biologie na vyvozování nového učiva v probíraném tématu. Pracovní list studenta je doplněn vypracovanou verzí pro učitele. Ve výuce je pracovní list používán jako text, na jehož základě je procvičováno již probrané učivo, jsou vyvozovány nové poznatky a řešeny drobné problémové úlohy ze zadaného tématu.
VY_32_INOVACE_Ch0214 Fotosyntéza pracovní list 1. Úvod......... Fotosyntéza ročně poutá 10 11 t C a je využito více než 10 18 kj energie. Jde o nejvýznamnější biochemický pochod na Zemi. 6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2 2. Fotosyntetická barviva Světlo je absorbováno fotosyntetíckými barvivy, která vytvářejí světlosběrný anténní systém, jehož úkolem je zajistit absorpci dostatečného množství energie pro pohon fotosyntézy. Základními barvivy světlosběrných systémů jsou... Většina molekul chlorofylů tedy shromažďuje světlo, menší část molekul chlorofylů je pak součástí reakčních center, v nichž probíhají pochody světelné fáze fotosyntézy. Většina světlosběrných systémů obsahuje vedle chlorofylů i soustavy jiných světlosběrných molekul. světlosběrné barvivo organismus poznámky chlorofyly všechny zelené rostliny a některé fotosyntetické bakterie absorbují červené a modré světlo absorpce záření o vlnové délce 420-450nm fykoerythrobiliny a fykocyanobiliny lineární tetrapyrrolová barviva, absorbují světlo o vlnových délkách od 450 do 600nm 3. Chloroplasty U eukaryot (u řas a vyšších zelených rostlin) probíhá fotosyntéza v......... Nejběžněji mají chloroplasty tvar elipsoidu se silně prostupnou vnější obalovou membránou a velmi málo prostupnou vnitřní membránou. Prostor obklopený vnitřní membránou obsahuje stroma (koncentrovaný roztok enzymů, molekul DNA, RNA a ribozomů, podobný mitochondriální matrix). Ve stromatu je uložena třetí soustava membrán thylakoidy. Jde patrně o jediný mnohonásobně poskládaný membránový váček se soustavou obvykle 10 až 100 terčovitých váčků, označovaných jako grana, která jsou vzájemně propojena tzv. stromálními thylakoidy.
Reakce závisející na světle probíhají v thylakoidální membráně, reakce nezávislé na světle probíhají ve stromatu jako sled enzymově katalyzovaných reakcí. U fotosyntetizujících prokaryot probíhají reakce závislé na světle ve fotosynteticky aktivních vchlípeninách membrány, označovaných jako intracytoplazmatická membrána, nebo v izolovaných váčcích této membrány, nazývaných chromatofory. 1... 2... 3... 4... 5... 4. Pohlcení a předávání světla Světlo je absorbováno pigmenty světlosběrné antény. Předávání fotonů se může dít několika mechanismy: a) Předáváním energie z excitované molekuly na blízkou neexcitovanou molekulu působením molekulových orbitalů zúčastněných částic, podobně jako se děje u spřažených kyvadel. Tento způsob se nazývá rezonanční přenos nebo také přenos excitonu. Takto si předávají absorbovanou energii fotosyntetická barviva ve světlosběrné anténě. b) Fotooxidace je děj, při němž světlem excitovaná molekula, jež v tomto stavu mnohem volněji váže elektron než ve stavu základním, přenese elektron na jinou receptorovou molekulu a tím ji redukuje. Elektronu zbavený pigment je v oxidovaném stavu a do základního stavu se navrátí tak, že zoxiduje jinou molekulu.
c) Fluorescence je jev, kdy... Vyzářený foton má vždy větší vlnovou délku, a tedy menší energii než pohlcená kvanta, která molekulu excitovala. Fluorescencí se ztrácí asi 3-6% rostlinami pohlcené energie. Přenos energie ve světlosběrné anténě 1... anténní, fotosyntetické barvivo (chlorofyly a přídatná fotosyntetická barviva) v základním energetickém stavu 2... reakční centrum (chlorofyl) 3... excitované fotosyntetické barvivo Přenos energie v anténě se děje přenosem excitonu, v reakčním centru fotooxidací. Účinnost přenosu energie v anténě je větší než 90% a k přenosu energie z antény do reakčního centra dojde v době kratší než 100ps. 5. Reakce závislé na světle - reakce využívající energii absorbovaného světla k syntéze NADPH+H + (redukční činidlo) a ATP (zdroj energie) - probíhají v thylakoidální membráně a podobají se přenosům elektronů v mitochondriích při oxidační fosforylaci - fotosyntéza uvolňující O 2 využívá dva fotosystémy zapojené za sebou: FS I je silné redukční činidlo schopné redukovat NADP + ( je umístěn hlavně ve stromálních thylakoidech), FS II vytváří silné oxidační činidlo schopné oxidovat H 2 O (pouze v granech) - většina součástí řetězce, který přenáší elektrony z vody na NADP + je uspořádána ve třech komplexech, prostupujících thylakoidální membránu: FS II, komplex cytochromů(rovnoměrně rozptýlen v thylakoidech obou typů) a FS I - O 2 vzniká pětistupňovou reakcí, katalyzovanou bílkovinným komplexem obsahujícím atom Mn - přenos elekronů cytochomovým komplexem vytváří koncentrační gradient H + mezi dutinou thylakoidu a stromatem, tento gradient pak pohání syntézu ATP - syntéza ATP je katalyzována ATP-synthasou zakotvenou většinou na stromálních thylakoidech - elektrony aktivované ve FS I buď redukují NADP + (necyklická dráha) nebo pomáhají vytvářet gradient H + (cyklická dráha) - cyklická cesta elektronů nezávisí na FS II, nevede tedy ke vzniku O 2
Schéma světelné fáze fotosyntézy 6. Modifikace fotosyntézy Fotosyntetické bakterie podle druhu mohou využívat k získávání redukčního činidla místo H 2 O jiné látky. Např.: H 2 S, S, S 2, H 2 a některé organické látky.
Fotosyntéza pracovní list - vyplněná verze 1. Úvod Rostliny, řasy a sinice poutají světelnou energii a transformují ji na energii chemických vazeb. Fotosyntéza je proces poháněný světlem, ve kterém se váže CO 2 a vznikají sacharidy a O 2. Fotosyntéza ročně poutá 10 11 t C a je využito více než 10 18 kj energie. Jde o nejvýznamnější biochemický pochod na Zemi. 6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2 2. Fotosyntetická barviva Světlo je absorbováno fotosyntetíckými barvivy, která vytvářejí světlosběrný anténní systém, jehož úkolem je zajistit absorpci dostatečného množství energie pro pohon fotosyntézy. Základními barvivy světlosběrných systémů jsou chlorofyly. Většina molekul chlorofylů tedy shromažďuje světlo, menší část molekul chlorofylů je pak součástí reakčních center, v nichž probíhají pochody světelné fáze fotosyntézy. Většina světlosběrných systémů obsahuje vedle chlorofylů i soustavy jiných světlosběrných molekul. světlosběrné barvivo organismus poznámky chlorofyly karoteny xanthofyly fykoerythrobiliny a fykocyanobiliny všechny zelené rostliny a některé fotosyntetické bakterie ruduchy a sinice absorbují červené a modré světlo absorpce záření o vlnové délce 420-450nm lineární tetrapyrrolová barviva, absorbují světlo o vlnových délkách od 450 do 600nm 3. Chloroplasty U eukaryot (u řas a vyšších zelených rostlin) probíhá fotosyntéza v chloroplastu. Chloroplasty se vyvinuly z prokaryontních fotosyntetizujících organismů, které byly pohlceny nefotosyntetizující eukaryontní buňkou a začala tak jejich společná existence na principu symbiotického soužití. Nejběžněji mají chloroplasty tvar elipsoidu se silně prostupnou vnější obalovou membránou a velmi málo prostupnou vnitřní membránou. Prostor obklopený vnitřní membránou obsahuje stroma (koncentrovaný roztok enzymů, molekul DNA, RNA a ribozomů, podobný mitochondriální matrix). Ve stromatu je uložena třetí soustava membrán thylakoidy. Jde patrně o jediný mnohonásobně poskládaný membránový váček se soustavou obvykle 10 až 100 terčovitých váčků, označovaných jako grana, která jsou vzájemně propojena tzv. stromálními thylakoidy.
Reakce závisející na světle probíhají v thylakoidální membráně, reakce nezávislé na světle probíhají ve stromatu jako sled enzymově katalyzovaných reakcí. U fotosyntetizujících prokaryot probíhají reakce závislé na světle ve fotosynteticky aktivních vchlípeninách membrány, označovaných jako intracytoplazmatická membrána, nebo v izolovaných váčcích této membrány, nazývaných chromatofory. 1 vnější membrána 2 vnitřní membrána 3.stroma 4 granum 5 stromální thylakoid 4. Pohlcení a předávání světla Světlo je absorbováno pigmenty světlosběrné antény. Předávání fotonů se může dít několika mechanismy: a) Předáváním energie z excitované molekuly na blízkou neexcitovanou molekulu působením molekulových orbitalů zúčastněných částic, podobně jako se děje u spřažených kyvadel. Tento způsob se nazývá rezonanční přenos nebo také přenos excitonu. Takto si předávají absorbovanou energii fotosyntetická barviva ve světlosběrné anténě. b) Fotooxidace je děj, při němž světlem excitovaná molekula, jež v tomto stavu mnohem volněji váže elektron než ve stavu základním, přenese elektron na jinou receptorovou molekulu a tím ji redukuje. Elektronu zbavený pigment je v oxidovaném stavu a do základního stavu se navrátí tak, že zoxiduje jinou molekulu.
c) Fluorescence je jev, kdy excitovaná molekula emituje foton, čímž přejde do základního stavu. Vyzářený foton má vždy větší vlnovou délku, a tedy menší energii než pohlcená kvanta, která molekulu excitovala. Fluorescencí se ztrácí asi 3-6% rostlinami pohlcené energie. Přenos energie ve světlosběrné anténě 1... anténní, fotosyntetické barvivo (chlorofyly a přídatná fotosyntetická barviva) v základním energetickém stavu 2... reakční centrum (chlorofyl) 3... excitované fotosyntetické barvivo Přenos energie v anténě se děje přenosem excitonu, v reakčním centru fotooxidací. Účinnost přenosu energie v anténě je větší než 90% a k přenosu energie z antény do reakčního centra dojde v době kratší než 100ps. 5. Reakce závislé na světle - reakce využívající energii absorbovaného světla k syntéze NADPH+H + (redukční činidlo) a ATP (zdroj energie) - probíhají v thylakoidální membráně a podobají se přenosům elektronů v mitochondriích při oxidační fosforylaci - fotosyntéza uvolňující O 2 využívá dva fotosystémy zapojené za sebou: FS I je silné redukční činidlo schopné redukovat NADP + ( je umístěn hlavně ve stromálních thylakoidech), FS II vytváří silné oxidační činidlo schopné oxidovat H 2 O (pouze v granech) - většina součástí řetězce, který přenáší elektrony z vody na NADP + je uspořádána ve třech komplexech, prostupujících thylakoidální membránu: FS II, komplex cytochromů(rovnoměrně rozptýlen v thylakoidech obou typů) a FS I - O 2 vzniká pětistupňovou reakcí, katalyzovanou bílkovinným komplexem obsahujícím atom Mn - přenos elekronů cytochomovým komplexem vytváří koncentrační gradient H + mezi dutinou thylakoidu a stromatem, tento gradient pak pohání syntézu ATP - syntéza ATP je katalyzována ATP-synthasou zakotvenou většinou na stromálních thylakoidech - elektrony aktivované ve FS I buď redukují NADP + (necyklická dráha) nebo pomáhají vytvářet gradient H + (cyklická dráha) - cyklická cesta elektronů nezávisí na FS II, nevede tedy ke vzniku O 2
Schéma světelné fáze fotosyntézy 6. Modifikace fotosyntézy Fotosyntetické bakterie podle druhu mohou využívat k získávání redukčního činidla místo H 2 O jiné látky. Např.: H 2 S, S, S 2, H 2 a některé organické látky. Zdroje: archiv autorky